Faza G2 (Polski)

Mitotyczne wejście jest określane przez poziom progowy aktywnego kompleksu cyklina-B1 / CDK1, również znany jako cyklina-B1 / Cdc2 lub czynnik promujący dojrzewanie (MPF). Aktywna cyklina-B1 / CDK1 wyzwala nieodwracalne działania we wczesnej mitozie, w tym separację centrosomów, rozpad otoczki jądrowej i montaż wrzeciona. U kręgowców istnieje pięć izoform cykliny B (B1, B2, B3, B4 i B5), ale specyficzna rola każdej z tych izoform w regulowaniu wchodzenia do mitozy jest nadal niejasna. Wiadomo, że cyklina B1 może kompensować utratę zarówno cykliny B2 (i odwrotnie u Drosophila). Saccharomyces cerevisiae zawiera sześć cyklin typu B (Clb1-6), przy czym Clb2 jest najbardziej istotny dla funkcjonowania. Spekuluje się, że zarówno u kręgowców, jak i S. cerevisiae, obecność wielu cyklin typu B umożliwia różnym cyklinom regulowanie różnych części przejścia G2 / M, jednocześnie czyniąc przejście odpornym na zaburzenia.

Później dyskusje skupią się na przestrzennej i czasowej aktywacji cykliny B1 / CDK w komórkach ssaków, ale podobne szlaki mają zastosowanie zarówno u innych metazoanów, jak i S. cerevisiae.

Synteza i degradacja cykliny B1Edit

Poziomy cykliny B1 są tłumione w fazach G1 i S przez kompleks promujący anafazę (APC), ligazę ubikwityny E3, która kieruje cyklinę B1 do proteolizy. Transkrypcja rozpoczyna się na końcu fazy S po replikacji DNA, w odpowiedzi na fosforylację czynników transkrypcyjnych, takich jak NF-Y, FoxM1 i B-Myb, przez kompleksy G1 i G1 / S cyklina-CDK.

Regulacja aktywności cykliny-B1 / CDK1 Edytuj

Zwiększone poziomy cykliny B1 powodują wzrost poziomu kompleksów cykliny B1-CDK1 w całym G2, ale kompleks pozostaje nieaktywny przed przejściem G2 / M z powodu hamującej fosforylacji przez Wee1 i kinazy Myt1. Wee1 jest zlokalizowane głównie w jądrze i działa w miejscu Tyr15, podczas gdy Myt1 jest zlokalizowane na zewnętrznej powierzchni ER i działa głównie w miejscu Thr14.

Skutkom Wee1 i Myt1 przeciwdziałają fosfatazy w rodzina cdc25, która usuwa hamujące fosforany z CDK1 i w ten sposób przekształca kompleks cykliny B1-CDK1 w jego w pełni aktywowaną formę, MPF.

Aktywne fosforyluje i moduluje cyklina B1-CDK1 aktywność Wee1 i Cdc25 izoform A i C. W szczególności fosforylacja CDK1 hamuje aktywność kinazy Wee1, aktywuje aktywność fosfatazy Cdc25C poprzez aktywację pośredniej kinazy PLK1 i stabilizuje Cdc25A. W ten sposób CDK1 tworzy pętlę dodatniego sprzężenia zwrotnego z Cdc25 i podwójną pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego z Wee1 (zasadniczo pętla dodatniego sprzężenia zwrotnego netto).

Pozytywne sprzężenie zwrotne i aktywacja podobna do przełącznikaEdit

Te dodatnie pętle sprzężenia zwrotnego kodują histeretyczny bistabilny przełącznik aktywności CDK1 w stosunku do poziomów cykliny B1 (patrz rysunek). Przełącznik ten charakteryzuje się dwoma wyraźnymi stabilnymi równowagami w dwustabilnym regionie stężeń cykliny B1. Jedna równowaga odpowiada interfazie i charakteryzuje się brakiem aktywności Cykliny-B1 / CDK1 i Cdc25 oraz wysokim poziomem aktywności Wee1 i Myt1. Druga równowaga odpowiada fazie M i charakteryzuje się wysoką aktywnością Cykliny-B1 / CDK1 i Cdc25 oraz niską aktywnością Wee1 i Myt1. W zakresie bistabilności stan komórki zależy od tego, czy wcześniej znajdowała się w międzyfazie, czy w fazie M: stężenie progowe dla wejścia w fazę M jest wyższe niż minimalne stężenie, które utrzyma aktywność fazy M, gdy komórka już opuści interfazę .

Naukowcy potwierdzili teoretycznie i empirycznie bistabilną naturę przejścia G2 / M. Model Novaka-Tysona pokazuje, że równania różniczkowe modelujące pętlę sprzężenia zwrotnego cyklina-B / CDK1-cdc25-Wee1-Myt1 dopuszczają dwie stabilne równowagi w zakresie stężeń cykliny-B. Doświadczalnie potwierdzono bistabilność poprzez blokowanie endogennej syntezy cykliny B1 i miareczkowanie komórek międzyfazowych i fazy M przy różnych stężeniach nieulegającej degradacji cykliny B1.Eksperymenty te pokazują, że stężenie progowe wejścia w fazę M jest wyższe niż próg wyjścia z fazy M: rozpad otoczki jądrowej zachodzi między 32-40 nm cykliny-B1 dla komórek wychodzących z interfazy, podczas gdy jądro pozostaje rozdrobnione przy stężeniach powyżej 16-24 nm w komórkach znajdujących się już w fazie M.

Ten bistabilny, histeretyczny przełącznik jest fizjologicznie konieczny z co najmniej trzech powodów. Po pierwsze, przejście G2 / M sygnalizuje zapoczątkowanie kilku zdarzeń, takich jak kondensacja chromosomów i rozpad otoczki jądrowej, które znacząco zmieniają morfologię komórki i są żywotne tylko w dzielących się komórkach. Dlatego istotne jest, aby aktywacja cykliny-B1 / CDK1 zachodziła w sposób podobny do przełącznika; to znaczy, komórki powinny szybko osiąść w dyskretnym stanie fazy M po przejściu i nie powinny pozostawać w kontinuum stanów pośrednich (np. z częściowo rozłożoną otoczką jądrową). Wymóg ten spełnia ostra nieciągłość oddzielająca poziomy równowagi międzyfazowej i M-fazowej aktywności CDK1; gdy stężenie cykliny-B wzrasta powyżej progu aktywacji, komórka szybko przechodzi do stanu równowagi fazy M.

Po drugie, ważne jest również, aby przejście G2 / M zachodziło jednokierunkowo lub tylko raz na komórkę Cykl Systemy biologiczne są z natury hałaśliwe, a niewielkie fluktuacje stężeń cykliny B1 w pobliżu progu przejścia G2 / M nie powinny powodować przełączania komórki między stanami międzyfazowymi i M-fazowymi. Zapewnia to bistabilny charakter przełącznika: po przejściu komórki w stan fazy M niewielkie spadki stężenia cykliny B nie powodują przełączenia komórki z powrotem w interfazę.

Wreszcie, kontynuacja cyklu komórkowego wymaga utrzymujących się oscylacji aktywności cykliny-B / CDK1, gdy komórka i jej potomkowie przechodzą do i z fazy M. Ujemne sprzężenie zwrotne stanowi jeden istotny element tej długotrwałej oscylacji: cyklina-B / CDK aktywuje APC / C, co powoduje degradację cykliny-B od metafazy w górę, przywracając CDK1 do stanu nieaktywnego. Jednak proste pętle ujemnego sprzężenia zwrotnego prowadzą do stłumionych oscylacji, które ostatecznie osiągają stan ustalony. Modele kinetyczne pokazują, że pętle ujemnego sprzężenia zwrotnego w połączeniu z bistabilnymi motywami dodatniego sprzężenia zwrotnego mogą prowadzić do trwałych, nietłumionych oscylacji (patrz oscylator relaksacji), rodzaju wymaganego do długotrwałego cyklu komórkowego.

Pozytywne sprzężenie zwrotne

Wspomniana powyżej pętla pozytywnego sprzężenia zwrotnego, w której cyklina-B1 / CDK1 promuje swoją własną aktywację poprzez hamowanie Wee1 i Myst1 oraz aktywację cdc25, z natury nie zawiera „wyzwalacza „Mechanizm zapoczątkowania pętli sprzężenia zwrotnego. Ostatnio pojawiły się dowody sugerujące ważniejszą rolę kompleksów cykliny A2 / CDK w regulacji inicjacji tego przełączenia. Aktywność cykliny A2 / CDK2 rozpoczyna się we wczesnej fazie S i wzrasta w fazie G2. Cdc25B jest wykazano, że defosforyluje Tyr15 na CDK2 we wczesnej i środkowej fazie G2 w sposób podobny do wspomnianego powyżej mechanizmu CDK1. kompleksy cykliny A2 / CDK nie działają wyłącznie jako aktywatory cykliny B1 / CDK1 w G2, ponieważ wykazano, że CDK2 jest wymagana do aktywacji aktywności punktu kontrolnego G2 niezależnej od p53, być może poprzez stabilizującą fosforylację na C dc6. Komórki CDK2 – / – mają również anormalnie wysokie poziomy Cdc25A. Wykazano również, że cyklina A2 / CDK1 pośredniczy w niszczeniu Cdc25B w proteasomach. Te szlaki są często deregulowane w raku.

Regulacja przestrzenna Przejście M. Nieaktywna cyklina B1-CDK1 gromadzi się w cytoplazmie, zaczyna być aktywowana przez cytoplazmatyczne cdc25, a następnie jest szybko sekwestrowana do jądra podczas profazy (ponieważ jest dalej aktywowana). U ssaków translokacja cykliny B1 / CDK1 do jądra jest aktywowana przez fosforylację pięciu miejsc seryny w cytoplazmatycznym miejscu retencji cykliny B1 (CRS): S116, S26, S128, S133 i S147. W Xenopus laevis cyklina B1 zawiera cztery analogiczne miejsca fosforylacji seryny CRS (S94, S96, S101 i S113), co wskazuje, że ten mechanizm jest wysoce konserwatywny Eksport jądra jest również dezaktywowany przez fosforylację sygnału eksportu jądrowego cykliny B1 (NES). Regulatory tych miejsc fosforylacji są nadal w dużej mierze nieznane, ale zidentyfikowano kilka czynników, w tym kinazy regulowane sygnałem zewnątrzkomórkowym (ERK), PLK1 i samą CDK1. Po osiągnięciu pewnego progowego poziomu fosforylacji translokacja cykliny B1 / CDK1 do jądra jest niezwykle szybka.W jądrze cyklina B1 / CDK1 fosforyluje wiele celów w ramach przygotowań do mitozy, w tym histon H1, laminy jądrowe, białka centrosomalne i białka związane z mikrotubulami (MAP).

Subkomórkowa lokalizacja cdc25 również zmienia się z cytosol do jądra podczas profazy. Odbywa się to poprzez usunięcie sekwencji lokalizacji jądrowej (NLS) – obserwującej fosforany i fosforylację jądrowego sygnału eksportu. Uważa się, że jednoczesny transport cdc25 i cykliny-B1 / CDK1 do jądra wzmacnia charakter przejścia podobny do przełącznika, zwiększając efektywne stężenia białek.